авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 ||

Научно-методические принципы гидрогеологического мониторинга при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях (на примере у

-- [ Страница 2 ] --

Рис. 3 Эпюры максимальных изменений нейтральных(н) напряжений во время проходки транспортных тоннелей в створе скважин 4499, 4466 и 4467.

Повышение давлений фиксировались при расстоянии от забоя до точки замера, не превышающем 50 м. После кратковременного повышения гидростатических давлений, зафиксированного во время движения комплекса вблизи наблюдательных станций, давления снижались до величины гидростатических давлений, соответствующих естественному напряженному состоянию породного массива.

Наблюдения во время эксплуатации тоннелей (2004 – 2006 г.г.) показали, что гидростатические давления изменяются незначительно (до 1,5 % от абсолютной величины), что свидетельствует о герметичности обделки тоннелей и практической стабильности напряженного состояния обделки и вмещающего тоннели массива.

Многолетние наблюдения позволяют сделать выводы о некоторых тенденциях изменений гидродинамического режима подземных вод. В 2005 году по датчикам зафиксированы гидростатические давления, превышающие давления, замеренные в 1999 году. Максимальные повышения гидростатических давлений на 10 – 15 кПа наблюдались в четвертичных отложениях на глубинах 10 – 15 м. По датчикам, расположенным на уровне тоннелей, увеличение гидростатических давлений с 1999 года по 2005 год составило 5 – 10 кПа. Скорость повышения уровней подземных вод составляла от 4 до 30 см в год.

Тенденция систематического повышения уровней четвертичного водоносного комплекса со временем может быть объяснена постепенным повышением напоров гдовского водоносного горизонта, а также повышением интенсивности инфильтрационного питания приповерхностного водоносного горизонта. Отмеченные изменения гидродинамического режима водоносного комплекса четвертичных отложений незначительно влияют на изменения напряженного состояния массива на отметках заложения транспортных тоннелей.

2. Для обеспечения эффективного контроля безопасной эксплуатации транспортных тоннелей необходимо использование численных геофильтрационных моделей, отражающих сложный трехмерный поток подземных вод в фильтрационно-неоднородном массиве песчано-глинистых отложений

Для изучения и прогноза режима подземных вод в массиве, представленном переслаиванием песчано-глинистых отложений, целесообразно использование трехмерных численных геофильтрационных моделей, позволяющих учитывать плановую и профильную фильтрационную неоднородность массива, расположение областей питания и разгрузки подземных вод, их инфильтрационное питание, реакции на проходку тоннелей.

Исходной гидрогеологической информацией для создания численных геофильтрационных моделей послужили результаты опытного опробования водоносных горизонтов и данные режимных наблюдений. Вблизи трассы тоннелей проведена опытная откачка с целью оценки фильтрационных параметров нижнего межморенного водоносного горизонта. Опробуемая толща представлена переслаиванием песков и супесей. Наблюдения за изменениями уровней в центральной и наблюдательной скважинах проводились с использованием датчиков гидростатического давления, которые позволили определять понижения напоров в различных слоях. При аналитической обработке результатов откачки оценено среднее значение коэффициентов фильтрации опробуемой толщи (10 м/сут). Дифференциация фильтрационных характеристик песков и оценка коэффициентов фильтрации супесей проведены на численной геофильтрационной модели, что позволило существенно уточнить фильтрационные параметры.

Для интерпретации режимных наблюдений при проходке транспортных тоннелей созданы (совместно с В.В. Назимой) численные геофильтрационные модели трех локальных участков трассы. Имитация в нестационарной постановке условий проходки тоннелей с гидропригрузом забоя позволила установить, что коэффициенты фильтрации глинистых пород, вскрываемых тоннелями, составляют 10-1  –  10-3 м/сут, а коэффициенты упругоемкости от 10-3 1/м до 10-5 1/м.

Общая численная геофильтрационная модель погребенной долины на территории, сопредельной с участком трассы тоннелей, создана с целью изучения условий формирования естественного и техногенного режима подземных вод, а также для имитации аварийной ситуации, сложившейся в 1995 году, и прогноза гипотетических аварийных ситуаций при эксплуатации транспортных тоннелей.

Геофильтрационная модель палеодолины, включающая участок тоннелей метрополитена, предварительно построена на основе полученных на локальных моделях фильтрационных характеристик глинистых пород, а также параметров водоносных горизонтов, определенных по результатам опытной откачки, проведенной на исследуемом участке.

Размеры моделируемой территории 2,3 км  2,15 км (рис. 4), максимальная мощность моделируемой толщи 120 м. Разбивка трехмерной численной модели представлена 103584 элементарными блоками, размеры которых определялись с учетом гидрогеологической структуры четвертичного комплекса, а также взаимного расположения наблюдательных скважин и тоннелей.

 хема численной геофильтрационной модели палеодолины (3-й слой модели – верхний-3

Рис. 4 Схема численной геофильтрационной модели палеодолины (3-й слой модели – верхний межморенный горизонт, на границах которого заданы граничные условия первого рода)

Первый, третий и восьмой слои соответствуют трем водоносным горизонтам, другие слои модели – относительные водоупоры, представленные суглинками и глинами, причем 5-й и 7-й слои выделены для имитации размещения в них новых и затопленных тоннелей.

Калибровка модели заключалась в уточнении коэффициентов фильтрации песчано-глинистых отложений, интенсивности инфильтрационного питания и уровней на внешних границах с использованием для контроля гидростатических давлений по датчикам и уровней по открытым пьезометрам региональной сети (рис. 4). В результате калибровки модели палеодолины получены коэффициенты фильтрации песков 1 м/сут (верхнего и среднего водоносных горизонтов), 10 м/сут (нижнего водоносного горизонта); коэффициенты фильтрации суглинков порядка 10-2 м/сут.

Впервые созданная трехмерная численная геофильтрационная модель палеодолины использована для интерпретации результатов режимных наблюдений, а также для анализа и прогноза гипотетических аварийных ситуаций, с целью повышения эффективности контроля безопасности эксплуатации тоннелей, пройденных в песчано-глинистых отложениях.

3. Прогноз объемов выноса песчаных отложений при аварийном нарушении целостности обделки тоннелей выполняется с использованием разработанной методики, основанной на сочетании численного геофильтрационного моделирования с аналитической оценкой гидрогеомеханических процессов оплывания и переноса песков

Предпосылкой аварийных ситуаций при эксплуатации транспортных тоннелей является проявление песчано-глинистыми отложениями, вмещающими тоннели, тиксотропных свойств. Тиксотропное разжижение пород сопровождается резким повышением гидростатического давления, что является критерием опасной ситуации. Развитие тиксотропного разжижения вмещающих тоннели отложений может привести к проседанию тоннелей, к развитию деформаций их обделки, к аварийным прорывам воды и водонасыщенных рыхлых отложений в тоннели. Нарушение герметичности обделки тоннелей сопровождается снижением гидростатических давлений во вмещающих тоннель породах, что также является критериальным признаком аварийной ситуации. Подобные явления в 1995 году сопровождались нарушением структуры массива пород над тоннелями и оседаниями земной поверхности.

При нарушении целостности обделки тоннелей возможен вынос песка через трещины с образованием конусообразной каверны в водоносном пласте (рис. 5).

 Рис. 5 Схема к оценке объема выноса песка при нарушении целостности обделки тоннеля: R-4

Рис. 5 Схема к оценке объема выноса песка при нарушении целостности обделки тоннеля: R – радиус образовавшегося конуса; r – радиус участка нарушения обделки тоннеля, Ii – уклон откоса песка на различных участках, m – мощность пласта песка.

Конфигурация каверны зависит от геометрических параметров языка оплывания песков, которые определяются влиянием гидростатических и гидродинамических сил на напряженное состояние песков, их физико-механическими свойствами, расходом потока в теле языка оплывания и интенсивностью потоков на его поверхности. В связи со сложностью учета этих факторов в рамках единой расчетной схемы, разработанная В.М. Шестаковым методика определения конфигурации языков оплывания базируется на использовании некоторых эмпирически полученных коэффициентов с учетом величины удельных расходов плоско-параллельного потока подземных вод, поступающего на фильтрующий откос. Рассматриваемая при оценке процессов выноса песка в тоннели схема (рис. 5) характеризуется осесимметричной структурой потока подземных вод, при которой удельные расходы потока повышаются по мере его движения в теле языка оплывания, что приводит к выполаживанию его поверхности. Расход подземных вод, поступающий к каверне, можно определить используя численную геофильтрационную модель гидрогеологической структуры, и далее оценить параметры каверны с учетом изменения удельного расхода потока.

Таким образом, разработанная при подготовке диссертации методика определения объема выноса песков в тоннели при нарушении целостности их обделки основана на сочетании моделирования с аналитическими оценками, которые базируются на использовании эмпирических характеристик, обоснованных ранее В.М. Шестаковым, скорректированных с учетом осесимметричной структуры подземных потоков, поступающих к дефектным участкам обделки.

Предлагаемая методика использована при анализе условий аварийных прорывов подземных вод и водонасыщенных песков в тоннели в 1995 году. Водоприток к аварийному участку тоннелей, полученный при численном моделировании (817 м3/сут),  сопоставим с притоком, зафиксированным в конце 1995 года. Приток в тоннель формировался в основном за счет водообильного нижнего межморенного водоносного горизонта.

Для имитации гипотетических аварийных ситуаций на модели рассмотрены три участка по трассе эксплуатируемых тоннелей. Водопритоки в тоннели, полученные на численной модели, и рассчитанные объемы выноса песка на аварийном участке старого тоннеля, а также на рассмотренных участках трассы новых тоннелей, представлены в таблице.

Водопритоки и объем выноса песка в тоннели

участки затопленный тоннель новый тоннель
участок 1 участок 2 участок 3
водоприток к участку, полученный на модели, м3/сут 817,0 14,3 19,0 19,4
рассчитанный объем выноса песка, м3 162,3 41,2 50,3 58,5

Прогнозные водопритоки к участкам гипотетических прорывов по трассе новых тоннелей значительно меньше водопритоков в тоннели при аварийной ситуации 1995 года. Притоки в эксплуатируемые тоннели формируются за счет верхнего межморенного водоносного горизонта.

На рисунке 6 показана конфигурация языка оплывания, оцененная по результатам расчетов для аварийной ситуации на старых тоннелях.

 Рис. 6 Профиль языка оплывания песков по результатам расчетов для аварийной ситуации-5

Рис. 6 Профиль языка оплывания песков по результатам расчетов для аварийной ситуации на старых тоннелях: Ii – уклон откоса на разных участках, m – мощность пласта песков, R0 – радиус каверны, V – объем вынесенного песка.

Объем выноса песка, рассчитанный при имитации условий аварии на старых тоннелях (162 м3), сопоставим с фактическим объемом песка, вынесенным в тоннель (120 м3), что подтверждает приемлемость разработанной методики.

Выполненные прогнозные оценки свидетельствуют о том, что новые тоннели пройдены в благоприятных условиях, однако это обстоятельство не исключает необходимости систематического контроля безопасности их эксплуатации.

В диссертации сформированы практические рекомендации по организации гидрогеологического мониторинга на разных стадиях его проведения, которые включают указания по проведению мероприятий при планировании гидрогеологического мониторинга, рекомендации по размещению наблюдательных скважин и оборудованию их современными средствами измерений гидростатических давлений, требования к регламенту наблюдений в период проходки и во время эксплуатации тоннелей. Предложены гидрогеологические критерии опасных ситуаций при строительстве и эксплуатации тоннелей. Для интерпретации результатов режимных наблюдений, а также для анализа и прогноза гипотетических аварийных ситуаций рекомендуется использование численных геофильтрационных моделей.

Заключение

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача по разработке научно-методических принципов гидрогеологического мониторинга при строительстве и при эксплуатации транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Доказано, что для контроля безопасности строительства и эксплуатации транспортных тоннелей необходима организация гидрогеологического мониторинга, направленного на оценку напряженного состояния водонасыщенных песчано-глинистых массивов.

2. На примере выполненного опробования водоносного комплекса песчано-глинистых отложений, предложена методика планирования опытных откачек и интерпретации их результатов при гидрогеологических изысканиях на трассах тоннелей.

3. Разработана методика создания численных геофильтрационных моделей для интерпретации результатов наблюдений за техногенным режимом подземных вод при проходке и эксплуатации транспортных тоннелей.

4. На основе результатов выполненных натурных наблюдений впервые создана трехмерная численная геофильтрационная модель, учитывающая особенности формирования режима подземных вод в пределах палеодолин на территории Санкт-Петербурга.

5. Обоснована методика прогноза выноса песчаных отложений в тоннели при аварийном нарушении целостности их обделки, базирующаяся на сочетании численного геофильтрационного моделирования с аналитической оценкой гидрогеомеханических процессов.

6. Разработаны практические рекомендации по планированию и проведению гидрогеологического мониторинга при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей в песчано-глинистых отложениях.

Публикации по теме диссертации

1. Назима В. В., Котлов О. Н. Наблюдения за изменениями гидростатического давления в массиве водонасыщенных пород на аварийном участке Санкт-Петербургского метрополитена. Материалы Всероссийской научной конференции «Геологи XXI века». Саратов: СО ЕАГО, 2002. – с. 361-363.

2. Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Русанов И.В., Назима В.В., Котлов О.Н. Использование численного моделирования для оптимизации дренажных мероприятий при сооружении и эксплуатации тоннелей глубокого заложения на примере Северомуйского тоннеля БАМ. Сергеевские чтения. Выпуск 5. Молодежная сессия – М. "ГЕОС", 2003. – с. 20-24.

3. Котлов О.Н. Контроль напряженного состояния песчано-глинистых отложений при проходке транспортных тоннелей на аварийном участке Санкт-Петербургского метрополитена. Записки Горного института. - СПб.: СПГГИ (ТУ), 2005, Том 157, – с. 15-18.

4. Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Назима В.В. Котлов О.Н. Перспективы снижения затрат на гидрогеологические работы при разведке месторождений ТПИ. Разведка и охрана недр. – 2006. – №1. – c. 59–62.

5. Kotlov O. The application of computational modeling for determination filtrational parameters of sandy-argillaceous sedimentation at building tunnels of underground railway in Saint-Petersburg. Development, Exploitation and Processing of Raw Materials, Freiberger Forschungsforum 57.Berg- und Huttenmannischer Tag, 2006. – p. 109-112.



Pages:     | 1 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.